JP2006093218A - Lamp heating device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lamp heating device of good stability and reproducibility in temperature for a thermal process condition. <P>SOLUTION: The lamp heating device comprises a chamber 30 which has a transparent window 15 to house a substrate 1 to be annealed, a heating lamp 5 which heats the substrate 1 by its heat radiation through the transparent window 15, a radiation thermometer in which a sensing part 6 is provided in the chamber 30 to optically detect temperature of the substrate 1, a radical generating part 20 which generates radical outside the chamber 30 and supplies it in the chamber 30, and a light quantity sensor which judges when to clean the inside of chamber 30 according to the blurring state of the surface of transparent window 15 and sensing part 6, allowing a series of operations for heating/annealing the substrate 1 and cleaning the inside of chamber 30. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は一般にランプ加熱装置に関するものであり、より特定的には半導体装置の製造において基板を急速加熱するランプ加熱装置に関する。本発明はまたそのようなランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates generally to lamp heating devices, and more particularly to lamp heating devices that rapidly heat a substrate in the manufacture of semiconductor devices. The present invention also relates to a method for manufacturing a semiconductor device using such a lamp heating apparatus.

メモリーあるいはロジックに代表される半導体デバイスの製造に用いられる熱処理には、大きく分けて、炉、RTA(Rapid Thermal Annealing)が用いられている。特に近年、デバイスの微細化及び薄層(膜)化が急加速で進んでおり、基板の熱履歴(サーマルバジェット)の低減が切望されている。これに対応すべく、基板の急速加熱・急速冷却を行うRTA処理が多用されている。   A furnace and RTA (Rapid Thermal Annealing) are roughly used for heat treatment used for manufacturing a semiconductor device represented by memory or logic. In particular, in recent years, miniaturization and thinning (film) of devices have been accelerated rapidly, and reduction of the thermal history (thermal budget) of the substrate is desired. In order to cope with this, RTA processing for rapidly heating / cooling the substrate is frequently used.

一般的なRTA処理は、加熱ランプの高熱出力により基板を急速に加熱し、所定の温度に達した後、直ちに加熱を停止して基板を急速に冷却する方法である。このようなRTAプロセスを実現する装置としては、基板を支持するサセプタの上方に配置されたハロゲンランプ等の加熱ランプと、光学式等の非接触方式で基板温度を検出する温度センサを有するチャンバとを備えたランプ加熱装置が有効である。   A general RTA process is a method in which a substrate is rapidly heated by a high heat output of a heating lamp, and after reaching a predetermined temperature, heating is immediately stopped and the substrate is rapidly cooled. As an apparatus for realizing such an RTA process, a heating lamp such as a halogen lamp disposed above a susceptor that supports a substrate, a chamber having a temperature sensor that detects a substrate temperature by a non-contact method such as an optical method, and the like. Is effective.

上記のランプ加熱装置を用いてRTAプロセスを行う場合には、Siウェハ等の基板を自動搬送機構により支持台に載せた後、チャンバ内に窒素、あるいは酸素等のプロセスガスを供給する。次いで、温度センサにより基板温度をフィードバックしながら、基板を所定の温度まで急速に加熱する。温度センサとして光学式センサを用いる場合には、例えば、基板の裏面側から発生する輻射光を受光する受光部をチャンバ内部に設置し、得られた光を光ファイバを通じてチャンバ外部に設置する光学センサで検知する。そして、基板が所定温度に達した後に、所望のアニール時間の間、その温度を保持する。最終的に加熱ランプを消灯して基板を急速に冷却し、所定の温度まで冷却した後、チャンバから自動搬送により基板を取り出す。   When the RTA process is performed using the lamp heating apparatus described above, a process gas such as nitrogen or oxygen is supplied into the chamber after a substrate such as an Si wafer is placed on a support by an automatic transfer mechanism. Next, the substrate is rapidly heated to a predetermined temperature while the substrate temperature is fed back by the temperature sensor. When an optical sensor is used as the temperature sensor, for example, an optical sensor in which a light receiving unit that receives radiation generated from the back side of the substrate is installed inside the chamber, and the obtained light is installed outside the chamber through an optical fiber. Detect with. Then, after the substrate reaches a predetermined temperature, the temperature is maintained for a desired annealing time. Finally, the heating lamp is turned off to rapidly cool the substrate to a predetermined temperature, and then the substrate is taken out of the chamber by automatic transfer.

ところで、上記従来の熱処理においては、基板上および基板内部の物質が、加熱によって基板外部へ拡散し、その拡散物質がチャンバの内壁、チャンバ内に設置された部材等、更には、温度センサのセンシング部、その測定端子部等に付着する傾向にあった。特に、P、As、B等の拡散物質が温度センサに付着・堆積し、センシング部の曇りが生じると、温度測定および温度制御の安定性が低下し、ウェハ面内での温度均一性や、処理毎での温度再現性が損なわれる。また、これらの付着・堆積物が熱処理時に昇華して、基板内に取り込まれる場合がある。これにより、デバイスの性能変化が生じ、設計どおりの製品が得られなくなる。   By the way, in the above conventional heat treatment, the substance on the substrate and inside the substrate diffuses to the outside of the substrate by heating, and the diffused substance is sensed by the temperature sensor, the inner wall of the chamber, the members installed in the chamber, and the like. Part, its measuring terminal part, etc. In particular, when diffusing substances such as P, As, and B adhere to and accumulate on the temperature sensor and clouding of the sensing portion occurs, the stability of temperature measurement and temperature control decreases, and the temperature uniformity within the wafer surface, Temperature reproducibility for each process is impaired. In addition, these adhesions and deposits may be sublimated during heat treatment and taken into the substrate. As a result, the performance of the device changes, and the product as designed cannot be obtained.

特に近年では、よりシャロー化(浅い接合化)が進んでおり、低抵抗も両立させるため、不純物が高濃度で極表面に注入されたウェハを高温(例えば1000℃程度)かつ短い時間(例えば1秒以下)で熱処理することが、微細トランジスタを形成する上で非常に重要になってきている。このため、上記曇りが発生する危険性がより高くなってきている。また、配線として使用するポリシリコンにおいても、微細化に伴い、注入する不純物濃度の高濃度化が進んでおり、RTAを不純物の活性化に使用する場合、ウェハ両面において、拡散物質の外方拡散が起こり、その拡散物質がチャンバの内壁、チャンバ内に設置された部材等、更には、温度センサのセンシング部、その測定端子部等に付着する。   In particular, in recent years, shallower (shallow bonding) has been progressed, and in order to achieve both low resistance and high resistance (for example, about 1000 ° C.) and a short time (for example, 1) In order to form a fine transistor, it has become very important to perform a heat treatment at a second or less). For this reason, the danger that the cloudiness will occur is increasing. In addition, in the polysilicon used as the wiring, the impurity concentration to be implanted is increasing with the miniaturization, and when RTA is used for the activation of impurities, the diffusion of the diffusing substance on both sides of the wafer is increased. The diffusion material adheres to the inner wall of the chamber, members installed in the chamber, and the like, as well as the sensing portion of the temperature sensor, the measurement terminal portion, and the like.

このため、チャンバを開放し、人手によるクリーニングを行うが、この方法は、結果として装置の稼働時間の低下を招く。また、クリーニング処理とクリーニング処理との間の、通常処理される期間は、経時的に生じた曇りの影響を受ける。   For this reason, the chamber is opened and manual cleaning is performed, but this method results in a reduction in the operating time of the apparatus. Further, the period of normal processing between the cleaning processes is affected by fogging that occurs over time.

この問題点を解決するために、図3に示すランプ加熱装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve this problem, a lamp heating apparatus shown in FIG. 3 has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

ランプ加熱装置は、透明窓15を有し、アニールすべき基板1を収容するチャンバ30と、透明窓15を介して、その輻射熱により基板1を加熱する加熱ランプ5とを備える。ランプ加熱装置は、光ファイバで形成されたセンシング部6がチャンバ30内に設けられた、基板1の温度を光学的に検出する放射温度計(図示せず)をさらに備える。自動搬送機構(図示せず)によりウェハ(例えばシリコンウェハ)1をチャンバ30内に搬入した後は、チャンバ30は基板支持部4とウェハ1で内部が分離され、2つの閉空間ができる。これにより、ウェハ1の表面(半導体装置が形成される面)側とウェハ1の裏面側が独立した空間を有する構造になる。それぞれの空間のうち、ウェハ1の表面側を空間A2、ウェハ1の裏面側を空間B3と定義する。   The lamp heating device includes a transparent window 15, and a chamber 30 that accommodates the substrate 1 to be annealed, and a heating lamp 5 that heats the substrate 1 by radiant heat through the transparent window 15. The lamp heating apparatus further includes a radiation thermometer (not shown) that optically detects the temperature of the substrate 1 in which the sensing unit 6 formed of an optical fiber is provided in the chamber 30. After the wafer (for example, silicon wafer) 1 is loaded into the chamber 30 by an automatic transfer mechanism (not shown), the chamber 30 is separated by the substrate support 4 and the wafer 1 to form two closed spaces. As a result, the front surface (surface on which the semiconductor device is formed) side of the wafer 1 and the back surface side of the wafer 1 have an independent space. Of each space, the front side of the wafer 1 is defined as a space A2, and the back side of the wafer 1 is defined as a space B3.

空間A2側にはランプ用の透明窓15を介して、複数の加熱ランプ5が設置されている。アニール時には、この加熱ランプ5の輻射熱が透明窓15を介してウェハ1に伝えられる。空間B3側には、ウェハ1の温度を光学的に検出する放射温度計(図示せず)につながった、光ファイバで形成されたセンシング部6が設けられている。   A plurality of heating lamps 5 are installed on the space A2 side through transparent windows 15 for lamps. At the time of annealing, the radiant heat of the heating lamp 5 is transmitted to the wafer 1 through the transparent window 15. On the space B3 side, a sensing unit 6 formed of an optical fiber connected to a radiation thermometer (not shown) that optically detects the temperature of the wafer 1 is provided.

また、チャンバ30の側壁部には、ガス供給口16とガス排出口17とが対向して設けられている。ガス供給口16には、空間A2内にプロセスガスとしてヘリウムガスを供給するためのガス供給系7が接続されている。一方、ガス排出口17には、空間A2内のガスをチャンバ30の外部に排出するためのガス排出系9が接続されている。   Further, a gas supply port 16 and a gas discharge port 17 are provided on the side wall portion of the chamber 30 so as to face each other. The gas supply port 16 is connected to a gas supply system 7 for supplying helium gas as a process gas in the space A2. On the other hand, a gas discharge system 9 for discharging the gas in the space A <b> 2 to the outside of the chamber 30 is connected to the gas discharge port 17.

さらに、空間B3側にはガス供給口18及びガス排出口19が設けられている。ガス供給口18には、空間B3内に酸素ガス及びその希釈ガスとしてのヘリウムガスから成るガスを供給するためのガス供給系10が接続され、ガス排出口19には、空間B3内のガスをチャンバ30の外部に排出するためのガス排出系11が接続されている。   Further, a gas supply port 18 and a gas discharge port 19 are provided on the space B3 side. The gas supply port 18 is connected to a gas supply system 10 for supplying a gas composed of oxygen gas and helium gas as a dilution gas in the space B3, and the gas discharge port 19 is configured to supply the gas in the space B3. A gas discharge system 11 for discharging to the outside of the chamber 30 is connected.

以下、RTA処理手順の一例を説明する。まず、内部がHeガス等の不活性ガス等で置換された又は未置換のチャンバ30内にウェハ1を自動搬送し、基板支持部4の上に配置することにより、空間A2と空間B3を形成する。   Hereinafter, an example of the RTA processing procedure will be described. First, the wafer 1 is automatically transferred into the chamber 30 where the inside is replaced with an inert gas such as He gas or the like, and the space A2 and the space B3 are formed by placing the wafer 1 on the substrate support 4. To do.

次にプロセスガスとしてのヘリウムガスを供給し、チャンバ30内にプロセス雰囲気を形成する。空間B3内のガスを所定の流量で排出する。因みに、空間B3は、上述の如く、ウェハ1の自重により実質的に閉状態に維持されているため、このとき裏側の空間B3から表側の空間A2へのHeガスの漏出は殆ど無い。空間B3が空間A2に比して負圧となるようにする。   Next, helium gas as a process gas is supplied to form a process atmosphere in the chamber 30. The gas in the space B3 is discharged at a predetermined flow rate. Incidentally, since the space B3 is maintained in a substantially closed state by the weight of the wafer 1 as described above, there is almost no leakage of He gas from the back space B3 to the front space A2. The space B3 is set to have a negative pressure compared to the space A2.

その後、各加熱ランプ5を点灯し、ウェハ1の温度を、室温(25℃)から、例えば、100〜150℃/秒程度の温度勾配で急峻に昇温する(基板加熱工程)。この間、複数のセンシング部6を有する温度センサにより、ウェハ1の裏面温度を非接触で経時的に測定し、制御装置(図示せず)により、ウェハ1内の面内温度が均一となるように、各加熱ランプ5の熱出力の調整又は点灯・消灯の制御を行う。   Thereafter, each heating lamp 5 is turned on, and the temperature of the wafer 1 is rapidly increased from room temperature (25 ° C.) with a temperature gradient of, for example, about 100 to 150 ° C./second (substrate heating step). During this time, the back surface temperature of the wafer 1 is measured in a non-contact manner over time by a temperature sensor having a plurality of sensing units 6, and the in-plane temperature in the wafer 1 is made uniform by a control device (not shown). Then, adjustment of the heat output of each heating lamp 5 or control of lighting / extinguishing is performed.

このような加熱を数秒〜10数秒程度行ない、ウェハ1が、所定の、例えば、1000℃になった時点において、各加熱ランプ5を消灯、或いは予熱的な熱出力となるように調整する。つづいて、チャンバ30内における空間A2と共に空間B3内にもHeガスを供給し、ウェハ1が表面側及び裏面側から冷却されるようにする。この基板冷却工程は、ウェハ1の温度が所定の搬出温度、例えば、750℃となるまで継続する。この場合、好ましくは50〜90℃/秒程度の温度勾配を有する降温速度で、降温すると好適である。   Such heating is performed for several seconds to several tens of seconds, and when the wafer 1 reaches a predetermined, for example, 1000 ° C., each heating lamp 5 is turned off or adjusted to have a preheated heat output. Subsequently, He gas is supplied into the space B3 together with the space A2 in the chamber 30 so that the wafer 1 is cooled from the front surface side and the back surface side. This substrate cooling process is continued until the temperature of the wafer 1 reaches a predetermined unloading temperature, for example, 750 ° C. In this case, it is preferable to lower the temperature at a temperature lowering rate that preferably has a temperature gradient of about 50 to 90 ° C./second.

次いで、ヘリウムガスに酸素ガス(O2)を添加・混合して、これを空間B3内に供給する。この際、制御装置にて混合ガス中の酸素ガスの濃度が、500ppm以上、より好ましくは500〜1000ppm、特に好ましくは650〜800ppmとなるように、酸素ガスとヘリウムガスとを混合する。空間B3内に供給された混合ガスは、ウェハ1からの輻射又は希釈ガスであるHeガスによる熱伝導によって熱エネルギーを付与され、ウェハ1の裏面の近傍で酸素原子を含む活性種が生じる。かかる活性種は、ウェハ1の裏面上に形成された自然酸化膜であるシリコン亜酸化物(SiO)を酸化し、SiOの昇華を抑えることにより、安定なSiO2へと改質する。また、裏面上に微視的にSiが露呈している部分が存在すれば、これも酸化されてSiO2が生じ得る。よって、ウェハ1の裏面全体に、昇華物質、及び、ウェハ1内に注入されているリン等のドーパントの外部拡散を有効に防止するSiO2膜が形成される。これにより、ウェハ1の裏面側にあるセンシング部6の表面の曇りを抑制することが可能となる。 Next, oxygen gas (O 2 ) is added to and mixed with helium gas, and this is supplied into the space B3. At this time, the oxygen gas and helium gas are mixed by the control device so that the concentration of the oxygen gas in the mixed gas is 500 ppm or more, more preferably 500 to 1000 ppm, and particularly preferably 650 to 800 ppm. The mixed gas supplied into the space B3 is given thermal energy by radiation from the wafer 1 or heat conduction by He gas which is a dilution gas, and active species including oxygen atoms are generated in the vicinity of the back surface of the wafer 1. Such active species are modified into stable SiO 2 by oxidizing silicon suboxide (SiO), which is a natural oxide film formed on the back surface of the wafer 1, and suppressing sublimation of SiO. In addition, if there is a portion where Si is exposed microscopically on the back surface, it may be oxidized to generate SiO 2 . Therefore, an SiO 2 film that effectively prevents external diffusion of a sublimation substance and a dopant such as phosphorus implanted in the wafer 1 is formed on the entire back surface of the wafer 1. Thereby, it becomes possible to suppress fogging of the surface of the sensing unit 6 on the back side of the wafer 1.

特開2003−77851号公報JP 2003-77851 A

しかしながら、上記方法はウェハ1の裏面側において昇華物質の発生を抑えるには有効であるが、ウェハ1の表面側の透明窓15への配慮はなされていない。また、酸化処理は拡散物質の外方拡散の抑制にはなるが、完全に排除できるわけでなく、依然としてランプ用の透明窓15やセンシング部6の表面の曇りが生じるため、人手による定期的なクリーニングが必要となっている。また、ウェハ1がチャンバ30内にある状態で、プロセスに関与する酸化性ガスをクリーニングの目的で導入することは、微細化の進むプロセス制御の面では微量といえども回り込みの影響を受ける可能性があり、望ましくない。   However, although the above method is effective in suppressing the generation of sublimation substances on the back side of the wafer 1, no consideration is given to the transparent window 15 on the front side of the wafer 1. In addition, although the oxidation treatment suppresses the outward diffusion of the diffusing material, it cannot be completely eliminated, and the transparent window 15 for the lamp and the surface of the sensing unit 6 still fog up. Cleaning is required. In addition, when the wafer 1 is in the chamber 30, the introduction of the oxidizing gas involved in the process for the purpose of cleaning may be affected by the wraparound even if it is a minute amount in terms of process control which is being miniaturized. Is undesirable.

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、透明窓の曇りを除き、基板の温度制御に係る測定系等を安定化させるランプ加熱装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a lamp heating apparatus that stabilizes a measurement system and the like related to temperature control of a substrate by removing fogging of a transparent window.

この発明の他の目的は、熱処理条件の温度一定性および再現性が良好なランプ加熱装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a lamp heating apparatus having good temperature stability and reproducibility of heat treatment conditions.

この発明のさらに他の目的は、プロセスの安定性が向上するランプ加熱装置を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a lamp heating apparatus with improved process stability.

この発明のさらに他の目的は、チャンバ内を清浄な状態に保持でき、パーティクル等の異物の発生を抑制することのできるランプ加熱装置を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a lamp heating device that can maintain the inside of a chamber in a clean state and can suppress generation of foreign matters such as particles.

この発明のさらに他の目的は、そのようなランプ加熱装置を用いて半導体装置を製造する方法を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device using such a lamp heating apparatus.

請求項1に係るランプ加熱装置は、透明窓を有し、基板を収容するチャンバと、上記透明窓を介して、その輻射熱により上記基板を加熱する加熱ランプと、そのセンシング部が上記チャンバ内に設けられ、上記基板の温度を光学的に検出する放射温度計と、上記チャンバの外部でラジカルを発生させ、該ラジカルを上記チャンバ内に供給するラジカル供給手段と、上記透明窓および上記センシング部の表面の曇り状態より、上記チャンバ内部をクリーニングする時期を判断する手段とを備え、基板の加熱アニールとチャンバ内部をクリーニングする、一連の動作を可能とすることを特徴とする。   The lamp heating apparatus according to claim 1 has a transparent window, a chamber for accommodating the substrate, a heating lamp for heating the substrate by the radiant heat through the transparent window, and a sensing unit in the chamber. A radiation thermometer for optically detecting the temperature of the substrate; radical supply means for generating radicals outside the chamber and supplying the radicals into the chamber; and the transparent window and the sensing unit. And a means for judging the timing of cleaning the inside of the chamber from the cloudy state of the surface, and enabling a series of operations of annealing the substrate and cleaning the inside of the chamber.

この発明にかかるランプ加熱装置によれば、上記チャンバ内に該ラジカルを供給するラジカル供給手段と、上記透明窓および上記センシング部の表面の曇り状態より、上記チャンバ内部をクリーニングする時期を判断する手段とを備え、基板の加熱アニールとチャンバ内部をクリーニングする、一連の動作を可能とするので、基板の温度制御に係る測定系が安定する。またチャンバの外部でラジカルを発生させるため、プラズマ照射による物理的ダメージが生じず、透明窓やセンシング部の表面の荒れが生じない。   According to the lamp heating apparatus of the present invention, a radical supply means for supplying the radical into the chamber, and a means for judging the timing for cleaning the inside of the chamber from the cloudy state of the surfaces of the transparent window and the sensing unit. And a series of operations for heating and annealing the substrate and cleaning the inside of the chamber are possible, so that the measurement system for controlling the temperature of the substrate is stabilized. Further, since radicals are generated outside the chamber, physical damage due to plasma irradiation does not occur, and the surface of the transparent window and the sensing unit does not become rough.

請求項2にかかるランプ加熱装置は、請求項1記載のランプ加熱装置において、上記ラジカルは水素、酸素およびフッ化カーボン化合物からなる群より選ばれることを特徴とする。   A lamp heating apparatus according to a second aspect is the lamp heating apparatus according to the first aspect, wherein the radical is selected from the group consisting of hydrogen, oxygen and a fluorocarbon compound.

請求項3にかかるランプ加熱装置は、請求項1記載のランプ加熱装置において、上記透明窓および上記センシング部の表面の曇り状態を検知する手段をさらに備える。このように構成することにより、チャンバ内部をクリーニングする時期を決定することができる。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the lamp heating apparatus according to the first aspect, further comprising means for detecting a cloudy state of the surfaces of the transparent window and the sensing unit. With this configuration, it is possible to determine the timing for cleaning the inside of the chamber.

請求項4にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1記載のランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造過程において、1回乃至複数回のアニール処理の間に、上記透明窓および上記センシング部の表面に上記ラジカルによるクリーニングを実施することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the transparent window and the sensing unit are formed during one or a plurality of annealing processes in the manufacturing process of the semiconductor device using the lamp heating device according to the first aspect. The surface is cleaned with the radicals.

この方法によれば、基板の温度制御に係る測定系等が安定し、熱処理条件の温度一定性及び再現性が良好になり、ひいてはプロセスの安定性が向上する状態を作り出すことができる。それに加え、チャンバ内を清浄な状態に保持でき、パーティクル等の異物の発生を抑制できる。   According to this method, it is possible to create a state in which the measurement system relating to the temperature control of the substrate is stabilized, the temperature stability and reproducibility of the heat treatment conditions are improved, and the process stability is improved. In addition, the inside of the chamber can be kept clean, and the generation of foreign matters such as particles can be suppressed.

請求項5にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1記載のランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造過程において、上記透明窓および上記センシング部の表面の曇り状態を検知し、所定の曇り状態を超えるごとに上記ラジカルによるクリーニングを実施することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, wherein in the manufacturing process of the semiconductor device using the lamp heating device according to the first aspect, a cloudy state of the surfaces of the transparent window and the sensing unit is detected and a predetermined cloudy state is detected. It is characterized in that cleaning with the radicals is carried out every time exceeding the above.

請求項6にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1記載のランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造過程において、1回のアニール処理を、上記ラジカルによるクリーニング工程を間に入れて、複数回に分割して行なうことを特徴とする。これにより、基板の熱履歴(サーマルバジェット)の低減を図ることができる。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: performing annealing once in a process of manufacturing a semiconductor device using the lamp heating device according to claim 1; It is characterized by being divided into two. Thereby, the thermal history (thermal budget) of the substrate can be reduced.

本発明によれば、RTA処理装置において、基板処理の合間に、酸素あるいは水素、フッ化カーボン等のラジカルをチャンバ外部からチャンバ内に供給できるので、In―Situで、熱処理に伴い発生するリン、砒素、ボロン等のドーパントによる汚染物をクリーニングすることが可能となる。また、チャンバ内部でプラズマを発生させないため、プラズマ照射による物理ダメージが生じず、透明窓やセンサー導入部の表面荒れが生じない。その結果、基板の温度制御に係る測定系等が安定し、熱処理条件の温度一定性及び再現性が良好になり、ひいてはプロセスの安定性が向上する。それに加え、チャンバ内を清浄な状態に保持でき、パーティクル等の異物の発生を抑制できる利点もある。   According to the present invention, in the RTA processing apparatus, since oxygen, hydrogen, radicals such as carbon fluoride can be supplied into the chamber from the outside of the chamber during the substrate processing, phosphorus generated by heat treatment in In-Situ, Contaminants due to dopants such as arsenic and boron can be cleaned. Further, since plasma is not generated inside the chamber, physical damage due to plasma irradiation does not occur, and the surface of the transparent window and the sensor introduction part does not occur. As a result, the measurement system relating to the temperature control of the substrate is stabilized, the temperature stability and reproducibility of the heat treatment conditions are improved, and the process stability is improved. In addition, there is an advantage that the inside of the chamber can be kept clean and the generation of foreign matters such as particles can be suppressed.

基板の温度制御に係る測定系等を安定化させるランプ加熱装置を提供するという目的を、透明窓およびセンシング部の表面の曇り状態が所定の曇り状態を超えるとラジカルによりチャンバ内部をクリーニングし、基板の加熱アニールとチャンバ内部をクリーニングする、一連の動作を可能とするということによって実現した。以下、この発明の実施例を図を用いて説明する。   The purpose of providing a lamp heating apparatus that stabilizes a measurement system related to temperature control of a substrate is to clean the inside of the chamber with radicals when the cloudy state of the surface of the transparent window and the sensing unit exceeds a predetermined cloudy state. This was realized by enabling a series of operations of heating annealing and cleaning the inside of the chamber. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は実施例にかかるランプ加熱装置の簡略断面図であり、図2は、このランプ加熱装置を用いて半導体装置を製造する方法のフローチャートである。なお、図1において、図3に示す従来装置と同一部分には、同一の参照番号を付す。   FIG. 1 is a simplified cross-sectional view of a lamp heating apparatus according to an embodiment, and FIG. 2 is a flowchart of a method for manufacturing a semiconductor device using the lamp heating apparatus. In FIG. 1, the same parts as those in the conventional apparatus shown in FIG.

実施例にかかるランプ加熱装置は、透明窓15を有し、アニールすべき基板1を収容するチャンバ30と、透明窓15を介して、その輻射熱により基板1を加熱する加熱ランプ5とを備える。ランプ加熱装置は、光ファイバで形成されたセンシング部6がチャンバ30内に設けられた、基板1の温度を光学的に検出する放射温度計(図示せず)をさらに備える。   The lamp heating apparatus according to the embodiment includes a transparent window 15, a chamber 30 that houses the substrate 1 to be annealed, and a heating lamp 5 that heats the substrate 1 by radiant heat through the transparent window 15. The lamp heating apparatus further includes a radiation thermometer (not shown) that optically detects the temperature of the substrate 1 in which the sensing unit 6 formed of an optical fiber is provided in the chamber 30.

自動搬送機構(図示せず)によりウェハ1を搬入した後は、チャンバ30は、基板支持部4とウェハ1で分離され、2つの閉空間ができる。これにより、ウェハ1の表面(半導体装置が形成される面)側とウェハ1の裏面側が独立した空間を有する構造になる。それぞれ、ウェハ1表面側を空間A2、ウェハ1裏面側を空間B3と定義する。ただし、構造上、ウェハ1により分離された構造とはなっているものの、分離された状態でなくとも、本発明の目的を損なうものではない。   After the wafer 1 is loaded by an automatic transfer mechanism (not shown), the chamber 30 is separated by the substrate support 4 and the wafer 1 to form two closed spaces. As a result, the front surface (surface on which the semiconductor device is formed) side of the wafer 1 and the back surface side of the wafer 1 have an independent space. The front side of the wafer 1 is defined as a space A2, and the back side of the wafer 1 is defined as a space B3. However, although the structure is separated by the wafer 1, the object of the present invention is not impaired even if the structure is not separated.

空間A2側にはランプ用の透明窓15を介して、複数の加熱ランプ5が設置されている。アニール時には、この加熱ランプ5の輻射熱が透明窓15を介してウェハ1に伝えられる。空間B3側には、ウェハ1の温度を光学的に検出する放射温度計(図示せず)、および光量センサ(図示せず)につながった、光ファイバからなるセンシング部6が設けられている。放射温度計と光量センサは光スイッチで切り替え可能になっている(図示せず)。   A plurality of heating lamps 5 are installed on the space A2 side through transparent windows 15 for lamps. At the time of annealing, the radiant heat of the heating lamp 5 is transmitted to the wafer 1 through the transparent window 15. On the space B3 side, a radiation thermometer (not shown) for optically detecting the temperature of the wafer 1 and a sensing unit 6 made of an optical fiber connected to a light amount sensor (not shown) are provided. The radiation thermometer and the light quantity sensor can be switched by an optical switch (not shown).

チャンバ30を挟んで、センシング部6と対称位置に、LEDの光源(図示せず)に接続された光ファイバ14が設けられている。ウェハ1が自動的に搬出され、遮るものがなくなったとき、LEDの光源から出た光は、光ファイバ14を通って、透明窓15を通過し、点線で示した矢印の光路を通ってチャンバ30内を通過し、光ファイバで構成されるセンシング部6の表面から、センシング部6内に到達する。このため、ウェハ1の未設置時には、センシング部6内に到達した光量を求めることにより、双方のファイバ表面の曇りおよび透明窓15の曇りを検出することが可能である。   An optical fiber 14 connected to an LED light source (not shown) is provided at a position symmetrical to the sensing unit 6 with the chamber 30 interposed therebetween. When the wafer 1 is automatically unloaded and there is no obstruction, the light emitted from the LED light source passes through the optical fiber 14, passes through the transparent window 15, and passes through the optical path indicated by the dotted line in the chamber. It passes through 30 and reaches the sensing unit 6 from the surface of the sensing unit 6 constituted by an optical fiber. For this reason, when the wafer 1 is not installed, the amount of light reaching the sensing unit 6 can be obtained to detect clouding of both fiber surfaces and clouding of the transparent window 15.

また、チャンバ30の側壁部には、ガス供給口16とガス排出口17とが対向して設けられている。ガス供給口16には、空間A2内にプロセスガスとしてのN2ガスを供給するためのガス供給系7とクリーニングガスとしての水素ラジカルを供給するためのガス供給系8が接続されている。 Further, a gas supply port 16 and a gas discharge port 17 are provided on the side wall portion of the chamber 30 so as to face each other. A gas supply system 7 for supplying N 2 gas as a process gas and a gas supply system 8 for supplying hydrogen radicals as a cleaning gas are connected to the gas supply port 16 in the space A2.

ラジカル発生部20はチャンバ30から離れたリモートプラズマ方式になっている。配管内を減圧状態(例えば200Pa)にして、導波管12から供給される高周波(例えば2.45GHz)を外部より印加することにより、配管内の水素ガスをプラズマ化する。これにより水素ラジカルが生成する。一方、ガス排出口17には、空間A2内のガスをチャンバ30の外部に排出するためのガス排出系9が接続されている。   The radical generator 20 is of a remote plasma type separated from the chamber 30. By applying a high frequency (eg, 2.45 GHz) supplied from the waveguide 12 from the outside while reducing the pressure in the pipe (eg, 200 Pa), the hydrogen gas in the pipe is turned into plasma. Thereby, hydrogen radicals are generated. On the other hand, a gas discharge system 9 for discharging the gas in the space A <b> 2 to the outside of the chamber 30 is connected to the gas discharge port 17.

尚、本実施例では、ラジカル発生部20に供給されるガスとして、単体の水素ガスを使用した場合を例示しているが、単体の水素ガス以外に酸素、フッ化カーボン、あるいは各々の混合ガス、あるいは、ヘリウム等の不活性ガスにより希釈されたガスを選択することも可能である。また、プロセスガスとして、N2以外にも、ヘリウム等の不活性ガスや酸素、酸素を含む酸化系のガス(たとえば、N2O)やそれらをヘリウム等の不活性ガスにより希釈したガスを使用することも可能である。 In this embodiment, the case where a single hydrogen gas is used as the gas supplied to the radical generating unit 20 is exemplified. However, in addition to the single hydrogen gas, oxygen, carbon fluoride, or each mixed gas is used. Alternatively, it is possible to select a gas diluted with an inert gas such as helium. In addition to N 2 , an inert gas such as helium, an oxygen-containing gas (for example, N 2 O) or a gas obtained by diluting them with an inert gas such as helium is used as the process gas. It is also possible to do.

さらに、空間B3にはガス供給口18及びガス排出口19が設けられている。ガス供給口18には、空間B3内にN2ガスを供給するためのガス供給系10が接続され、ガス排出口19には、空間B3内のガスをチャンバ30の外部に排出するためのガス排出系11が接続されている。本ガス系においても、N2以外に、上記プロセスガスと同様に、ヘリウム等の不活性ガスや酸素を含む酸化系のガス(たとえば、N2O)やそれらをヘリウム等の不活性ガスにより希釈したガスを使用することも可能である。 Further, a gas supply port 18 and a gas discharge port 19 are provided in the space B3. A gas supply system 10 for supplying N 2 gas into the space B 3 is connected to the gas supply port 18, and a gas for discharging the gas in the space B 3 to the outside of the chamber 30 is connected to the gas discharge port 19. A discharge system 11 is connected. Also in this gas system, in addition to N 2 , in the same manner as the above process gas, an inert gas such as helium, an oxidizing gas containing oxygen (for example, N 2 O) or the like is diluted with an inert gas such as helium. It is also possible to use gas that has been removed.

次に、図2のフローチャートを用いて、半導体装置のRTA処理手順の一例を示す。   Next, an example of the RTA processing procedure of the semiconductor device will be described with reference to the flowchart of FIG.

図1と図2を参照して、ステップS1で、チャンバ30内を窒素ガス(プロセスガス)で置換する。ステップS2で、内部が窒素ガスで置換されたチャンバ30内に、ウェハ(Siウェハ)1を自動搬送(基板搬入)し、基板支持部4の上に配置することにより、空間A2と空間B3を形成する。   Referring to FIGS. 1 and 2, in step S1, the inside of chamber 30 is replaced with nitrogen gas (process gas). In step S2, the wafer (Si wafer) 1 is automatically transported (substrate loaded) into the chamber 30 where the inside is replaced with nitrogen gas, and placed on the substrate support portion 4, thereby forming the space A2 and the space B3. Form.

次に、空間B3内のガスを所定の流量で供給および排気する。ウェハ1が浮かないように空間B3が空間A2に比して若干負圧となるように流量および排気量を制御する。通常、リンドープの際のアニールではリンの外方拡散13が生じるため、酸素ガス等の酸化剤により酸化を進めながら拡散、活性化を行う。ただし、本装置ではクリーニング機構を有するため、プロセス上の制約(例えば、スクリーン酸化膜なしで注入されたボロンドーパントとリンドーパントを同時に活性化する場合)により酸化を行わず、外方拡散13を許したとしても、処理毎での汚れをリセットすることが可能である。さらには、1回のアニールを複数回のクリーニングを間に入れて分割処理し、所望のサーマルバジェットを得ることも可能である。   Next, the gas in the space B3 is supplied and exhausted at a predetermined flow rate. The flow rate and the exhaust amount are controlled so that the space B3 is slightly negative compared to the space A2 so that the wafer 1 does not float. Usually, in the annealing at the time of phosphorus doping, the outward diffusion 13 of phosphorus occurs, so that diffusion and activation are performed while the oxidation is advanced by an oxidizing agent such as oxygen gas. However, since this apparatus has a cleaning mechanism, it does not oxidize due to process restrictions (for example, when boron dopant and phosphorous dopant implanted without a screen oxide film are activated simultaneously), and outward diffusion 13 is allowed. Even if it does, it is possible to reset the stain | pollution | contamination for every process. Furthermore, a desired thermal budget can be obtained by performing a single annealing process and a plurality of cleaning processes in between.

その後、ステップS3で、各加熱ランプ5を点灯し、ウェハ1の温度を室温(25℃)〜アイドル温度(100℃程度)から、均一性安定化温度(400℃程度)へ昇温後、例えば、50〜300℃/秒程度の温度勾配で急峻に昇温する(昇温)。この間、複数の温度センサにより、ウェハ1の裏面温度を非接触で経時的に測定し、制御装置(図示せず)により、ウェハ1内の面内温度が均一となるように、各加熱ランプ5の熱出力の調整又は点灯・消灯の制御を行う。このような加熱を数秒〜数10秒程度行ない(昇温)、ステップS4で、ウェハ1が、所定の、例えば、1000℃となった時点から、所定の時間、温度を一定に保つ(ホールド)。なお、スパイクアニールのように、ホールド時間をゼロとしてもよい。   Thereafter, in step S3, each heating lamp 5 is turned on, and the temperature of the wafer 1 is raised from room temperature (25 ° C.) to idle temperature (about 100 ° C.) to the uniformity stabilization temperature (about 400 ° C.). The temperature is rapidly increased (temperature increase) at a temperature gradient of about 50 to 300 ° C./second. During this time, the temperature of the back surface of the wafer 1 is measured over time without contact with a plurality of temperature sensors, and each heating lamp 5 is adjusted so that the in-plane temperature within the wafer 1 becomes uniform by a control device (not shown). Adjusts the heat output of or controls on / off. Such heating is performed for several seconds to several tens of seconds (temperature increase), and in step S4, the temperature is kept constant for a predetermined time from the time when the wafer 1 reaches a predetermined temperature, for example, 1000 ° C. (hold). . Note that the hold time may be zero as in spike annealing.

ステップS5で、ランプ群を消灯、或いは予熱的な熱出力となるように調整する(降温)。つづいて、チャンバ30内における空間A2と共に空間B3内にもHeガスを供給し、ウェハ1が表面側及び裏面側から冷却されるようにする。この基板冷却工程は、ウェハ1の温度が所定の搬出温度、例えば、750℃となるまで継続する。この場合、好ましくは50〜300℃/秒程度の温度勾配を有する降温速度で降温すると好適である。   In step S5, the lamp group is adjusted to be extinguished or to have a preheating heat output (temperature decrease). Subsequently, He gas is supplied into the space B3 together with the space A2 in the chamber 30 so that the wafer 1 is cooled from the front surface side and the back surface side. This substrate cooling process is continued until the temperature of the wafer 1 reaches a predetermined unloading temperature, for example, 750 ° C. In this case, the temperature is preferably lowered at a temperature lowering rate having a temperature gradient of about 50 to 300 ° C./second.

次いで、ステップS6で、ウェハ1が自動的に搬出される(基板搬出)。これにより、光源とセンサ間をさえぎるものがなくなり、光量をチェック可能となる。本システムでは、ステップS7で、曇りの発生により、所定の光量が得られない場合、光量センサーのしきい値の設定により、自動的にクリーニングのシーケンスに切り替えられるようになっている(曇り状態チェック)。   Next, in step S6, the wafer 1 is automatically unloaded (substrate unloading). As a result, there is no obstacle between the light source and the sensor, and the amount of light can be checked. In this system, if a predetermined amount of light cannot be obtained due to the occurrence of fogging in step S7, the system automatically switches to the cleaning sequence by setting the threshold value of the light amount sensor (checking of the cloudy state). ).

しきい値を超えた場合、ステップS8で、チャンバ30内へのプロセスガスの供給を止め、チャンバ内を真空引きする(真空引き)。真空引き完了後、ステップS9で、水素ガスをリモートプラズマを発生する配管内へ供給する(クリーニングガス導入)。ステップS10で、例えば、配管およびチャンバ30内をおよそ200Paに保持した後、2.45GHzの高周波を印加し、プラズマを発生させる。これにより、水素ラジカルが発生する。チャンバ30内へ水素ラジカルが供給されることにより、チャンバ30内に付着するリン、ボロン、ヒ素が水素と反応し、水素化ガスとなって排気される。   When the threshold value is exceeded, in step S8, supply of the process gas into the chamber 30 is stopped, and the inside of the chamber is evacuated (evacuation). After the evacuation is completed, hydrogen gas is supplied into a pipe for generating remote plasma (cleaning gas introduction) in step S9. In step S10, for example, after the piping and the chamber 30 are held at about 200 Pa, a high frequency of 2.45 GHz is applied to generate plasma. Thereby, hydrogen radicals are generated. By supplying hydrogen radicals into the chamber 30, phosphorus, boron, and arsenic adhering to the chamber 30 react with hydrogen and exhaust as hydrogenated gas.

この際、ステップS11で、光量は連続的にチェックされ、所定の光量に達したらステップS12で、高周波を止める(プラズマストップ)。つづいて、ステップS13で、水素供給を止め(ガスストップ)、真空引きを行ったのち(真空引き)、ステップS14で、チャンバ雰囲気をプロセスガスである窒素ガスに置換し(プロセスガス置換)、ステップS2に戻って、次のウェハ1を搬入し、処理を行う。   At this time, the light quantity is continuously checked in step S11. When the predetermined light quantity is reached, the high frequency is stopped (plasma stop) in step S12. Subsequently, in step S13, the supply of hydrogen is stopped (gas stop), and vacuuming is performed (evacuation). In step S14, the chamber atmosphere is replaced with nitrogen gas as a process gas (process gas replacement). Returning to S2, the next wafer 1 is carried in and processed.

尚、上記実施例では、一回で一枚の処理が完結するプロセスフローとなっているが、先行して、曇りに対するデータをとっておくことにより、熱処理を複数回に分割し、等価の熱履歴を得ることも可能である。   In the above embodiment, the process flow is completed for one sheet at a time. However, the heat treatment is divided into a plurality of times by preliminarily collecting data on fogging, and the equivalent heat is obtained. It is also possible to obtain a history.

また、上記実施例ではウェハとしてシリコンウェハを例示したが、この発明はこれに限られるものではない。   Moreover, although the silicon wafer was illustrated as a wafer in the said Example, this invention is not limited to this.

今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明によれば、基板の熱履歴の低減を図ることができるので、デバイスの微細化および薄層化を実現することができる。   According to the present invention, the thermal history of the substrate can be reduced, so that the device can be miniaturized and thinned.

本発明にかかる熱処理装置の簡略断面図である。1 is a simplified cross-sectional view of a heat treatment apparatus according to the present invention. 図1に示す熱処理装置における処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process in the heat processing apparatus shown in FIG. 従来の熱処理装置の簡略断面図である。It is a simplified sectional view of a conventional heat treatment apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 ウェハ
4 基板支持部
5 加熱ランプ
6 センシング部
7 ガス供給系(プロセスガス)
8 ガス供給系(クリーニングガス)
9 ガス排出系(プロセスガス&クリーニングガス)
10 ガス供給系(空間B用)
11 ガス排出系(空間B用)
12 導波管
13 外方拡散
14 光ファイバ
15 透明窓
16、18 ガス供給口
17、19 ガス排出口
20 ラジカル発生部
30 チャンバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wafer 4 Substrate support part 5 Heating lamp 6 Sensing part 7 Gas supply system (process gas)
8 Gas supply system (cleaning gas)
9 Gas exhaust system (process gas & cleaning gas)
10 Gas supply system (for space B)
11 Gas exhaust system (for space B)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Waveguide 13 Outward diffusion 14 Optical fiber 15 Transparent window 16, 18 Gas supply port 17, 19 Gas discharge port 20 Radical generation part 30 Chamber

Claims (6)

透明窓を有し、基板を収容するチャンバと、
前記透明窓を介して、その輻射熱により前記基板を加熱する加熱ランプと、
そのセンシング部が前記チャンバ内に設けられ、前記基板の温度を光学的に検出する放射温度計と、
前記チャンバの外部でラジカルを発生させ、該ラジカルを前記チャンバ内に供給するラジカル供給手段と、
前記透明窓および前記センシング部の表面の曇り状態より、前記チャンバ内部をクリーニングする時期を判断する手段とを備え、
基板の加熱アニールとチャンバ内部をクリーニングする、一連の動作を可能としたランプ加熱装置。
A chamber having a transparent window and containing a substrate;
A heating lamp for heating the substrate by the radiant heat through the transparent window;
A radiation thermometer that is provided in the chamber and optically detects the temperature of the substrate;
Radical supplying means for generating radicals outside the chamber and supplying the radicals into the chamber;
Means for determining when to clean the inside of the chamber from the cloudy state of the surface of the transparent window and the sensing unit;
Lamp heating device that enables a series of operations to anneal the substrate and clean the inside of the chamber.
前記ラジカルは水素、酸素およびフッ化カーボン化合物からなる群より選ばれることを特徴とする請求項1記載のランプ加熱装置。   2. The lamp heating apparatus according to claim 1, wherein the radical is selected from the group consisting of hydrogen, oxygen, and a fluorocarbon compound. 前記透明窓および前記センシング部の表面の曇り状態を検知する手段をさらに備えた請求項1記載のランプ加熱装置。   The lamp heating apparatus according to claim 1, further comprising means for detecting a cloudy state of surfaces of the transparent window and the sensing unit. 請求項1記載のランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造過程において、1回乃至複数回のアニール処理の間に、前記透明窓および前記センシング部の表面に前記ラジカルによるクリーニングを実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The process of manufacturing a semiconductor device using the lamp heating apparatus according to claim 1, wherein the surface of the transparent window and the sensing unit is cleaned with the radicals during one or more annealing processes. A method for manufacturing a semiconductor device. 請求項1記載のランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造過程において、前記透明窓および前記センシング部の表面の曇り状態を検知し、所定の曇り状態を超えるごとに前記ラジカルによるクリーニングを実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. A process of manufacturing a semiconductor device using the lamp heating device according to claim 1, wherein the cloudy state of the surface of the transparent window and the sensing unit is detected, and cleaning with the radical is performed every time a predetermined cloudy state is exceeded. A method of manufacturing a semiconductor device. 請求項1記載のランプ加熱装置を用いた半導体装置の製造過程において、1回のアニール処理を、前記ラジカルによるクリーニング工程を間に入れて、複数回に分割して行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。

2. A semiconductor device manufacturing process using a lamp heating device according to claim 1, wherein one annealing process is performed in a plurality of times with the radical cleaning step in between. Manufacturing method.

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